【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于计算成像，具体涉及一种基于联合约束的压缩成像系统和方法。
技术介绍
1、超快压缩成像技术将压缩感知原理与条纹相机相结合，可实现单次不可重复发光过程的高帧频多画幅二维时间序列图像测量，属于计算成像领域。gao liang在nature上发表的“single-shot compressed ultrafastphotography at one hundredbillion framesper second”一文介绍了该技术。主要成像过程为：空间光调制器对可见光二维时间序列图像施加空间编码；宽狭缝条纹相机的条纹管将二维时间序列编码图像按照时间顺序扫描至荧光屏不同位置；相机记录条纹管时间积分图像；两步迭代阈值收缩算法重建二维时间序列图像。时间序列图像的重建是一个高度欠定的数学问题，求解难度大，重建图像质量较差。因此，本专利技术优化了硬件系统，通过分光实现多个成像通道对同一目标场景的重复测量，在重建算法中融合多通道数据提升重建图像质量。
2、目前，为提升重建图像质量设计的硬件系统包括两种：一种是liren zhu在optica上发表的“space and intensity constrained reconstruction for compressedultrafast photography”一文中介绍的基于相机约束的压缩成像系统。采用ccd相机拍摄动态发光过程的二维时间积分图像，对重建二维时间序列图像的强度和空间范围进行约束。另一种是chengshuaiyang在laser physics letter
3、以上两种压缩成像硬件系统均能够提升重建图像质量，基于相机约束的压缩成像系统适用于形状不随时间变化的发光过程。但是，相机获取的二维强度时间积分图像无法对强度随时间变化过程进行约束。基于多个编码通道的压缩成像系统可以通过加权平均整体提升重建图像质量，但是重建过程未施加任何约束条件，重建过程收敛至局域解风险较高。因此，现有硬件系统难以满足形状、强度均随时间连续变化动态光源的多画幅二维时间序列图像精确获取需求。
技术实现思路
1、为了解决现有压缩成像系统无约束通道或仅包含形状约束通道，难以满足形状、强度均随时间连续变化动态光源的多画幅二维时间序列图像精确获取需求，本专利技术提供了一种基于联合约束的压缩成像系统和方法。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种基于联合约束的压缩成像系统，包括光学暗箱、设置在光学暗箱外部的动态光源、动态光源控制器和脉冲信号发生器，以及设置在光学暗箱内部的第一分光镜、第一镜头、透射式编码板、宽狭缝条纹相机、第二分光镜、第二镜头、窄狭缝条纹相机、反射镜、第三镜头和icmos相机；
4、所述光学暗箱设置有供动态光源出射成像光路穿过的通孔，第一分光镜、第二分光镜、反射镜沿成像光路依次设置；宽狭缝条纹相机设置在第一镜头的像面，透射式编码板设置在宽狭缝的中部；窄狭缝条纹相机设置在第二镜头的像面；icmos相机设置在第三镜头的像面；
5、所述脉冲信号发生器的输出端与动态光源控制器、宽狭缝条纹相机、窄狭缝条纹相机和icmos相机连接；
6、进一步地，所述第一分光镜反射光与透射光比值取值范围为0.1:1～1:1，所述第二分光镜反射光与透射光比值取值范围为1:1～9:1；
7、进一步地，所述透射式编码板为像素尺寸aμm×aμm的随机编码，透光像素的个数比例为20％～50％，其中，a的取值范围为：80～140；
8、进一步地，所述宽狭缝条纹相机和窄狭缝条纹相机的全程扫描时间调节范围为50ns～1.2μs；
9、进一步地，所述宽狭缝条纹相机狭缝宽度调节范围为6mm～18mm；所述窄狭缝条纹相机狭缝宽度调节范围为0～4mm；
10、进一步地，所述icmos相机像素阵列为b×c，其中，b的取值范围为：1280～2048，c的取值范围为：1024～2048；
11、进一步地，所述第一镜头、第二镜头和第三镜头为焦距调节范围在70mm～200mm的变焦镜头。
12、本专利技术还提出一种基于联合约束的压缩成像方法，包括以下步骤：
13、步骤1：采集光学分辨卡图像
14、搭建上述基于窄狭缝条纹相机与icmos相机联合约束的压缩成像系统，将光学分辨卡放置于动态光源位置，调节各通道清晰度和视场，各通道分别采集光学分辨卡图像；
15、步骤2：采集静态编码板图像
16、2.1移除第一镜头和透射式编码板，将均匀光由金属暗箱的通孔处照射，设置宽狭缝条纹相机工作于静态模式，采集多幅背景光图像，计算灰度平均值；
17、2.2在步骤2.1的基础上，安装透射式编码板，采集多幅编码板图像，计算灰度平均值；
18、2.3将透射式编码板图像的灰度平均值与背景光图像的灰度平均值相除得到静态编码板图像；
19、步骤3：宽狭缝条纹相机与窄狭缝条纹相机时间关系标定
20、3.1将均匀光替换为脉冲宽度百ps量级的激光器，安装第一镜头，设置宽狭缝条纹相机、窄狭缝条纹相机工作于动态扫描模式，脉冲信号发生器同时控制百ps激光器、宽狭缝条纹相机和窄狭缝条纹相机动作；
21、3.2以固定时间步长同步调节脉冲信号发生器触发宽狭缝条纹相机和窄狭缝条纹相机的延迟时间，标定得到窄狭缝条纹相机各时刻一维图像与宽狭缝条纹相机各时刻二维图像的对应关系；
22、步骤4：采集动态压缩编码图像和约束图像
23、4.1将百ps激光器替换为待测动态光源，设置宽狭缝条纹相机、窄狭缝条纹相机工作于动态扫描模式，icmos相机为待触发状态，脉冲信号发生器同时控制待测动态光源、宽狭缝条纹相机和窄狭缝条纹相机动作，分别获取动态压缩编码图像，一维强度随时间变化图像和二维强度时间积分图像；
24、4.2调节脉冲信号发生器延迟时间，使动态光源发光过程位于动态压缩编码图像和一维强度随时间变化图像的中心区域；
25、4.3调节脉冲信号发生器延迟时间和icmos相机曝光时间，使icmos相机曝光时间可涵盖动态光源发光过程。
26、步骤5：基于压缩感知算法重建二维时间序列图像
27、5.1基于步骤1的光学分辨卡图像建立一维强度随时间变化图像、二维时间积分图像和重建二维时间序列图像的尺寸比例和相对位置对应关系；基于步骤3的窄狭缝条纹相机各时刻一维图像与宽狭缝条纹相机各时刻二维图像的对应关系建立一维强度随时间变化图像和重建二维时间序列图像的时间对应关系；
28、5.2基于步骤2的静态编码板图像、步骤4的动态压缩编码图像、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于联合约束的压缩成像系统，其特征在于，其包括第一分光镜(1)、第一镜头(2)、透射式编码板(3)、宽狭缝条纹相机(4)、第二分光镜(5)、第二镜头(6)、窄狭缝条纹相机(7)、反射镜(8)、第三镜头(9)、ICMOS相机(10)、脉冲信号发生器(13)和光学暗箱(14)；
2.根据权利要求1所述的基于联合约束的压缩成像系统，其特征在于，第一分光镜和第二分光镜的反射光和透射光的比例可调，保证三个成像通道采集图像信噪比适中。
3.根据权利要求2所述的基于联合约束的压缩成像系统，其特征在于，第一分光镜(1)的反射光和透射光的比值为0.2:1，第二分光镜(5)的反射光和透射光的比值为9:1；透射式编码板(3)像素尺寸为100μm×100μm，透光像素的个数比例为30％；宽狭缝条纹相机狭缝宽度为15mm，全程扫描时间为102ns；窄狭缝条纹相机狭缝宽度为0.35mm，全程扫描时间为102ns；ICMOS相机(10)的像素阵列为1280×1024。
4.根据权利要求1至3中任一所述的基于联合约束的压缩成像系统，其特征在于，所述第一镜头(2)、第二
5.一种基于联合约束的压缩成像方法，使用权利要求1-4任一所述的基于联合约束的压缩成像系统，其特征在于，包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的基于联合约束的压缩成像方法，其特征在于，所述步骤1，采集光学分辨卡图像，进一步包括：
7.根据权利要求5所述的基于联合约束的压缩成像方法，其特征在于，所述步骤2，采集静态编码板图像，静态模式，采集背景光图像10幅；安装透射式编码板(3)，采集编码板图像10幅。
8.根据权利要求5所述的基于联合约束的压缩成像方法，其特征在于，所述步骤3，宽狭缝条纹相机与窄狭缝条纹相机时间关系标定，固定时间步长为1ns。
9.根据权利要求5所述的基于联合约束的压缩成像方法，其特征在于，所述步骤4，采集动态压缩编码图像和约束图像，进一步包括：
10.根据权利要求5所述的基于联合约束的压缩成像方法，其特征在于，所述步骤5，基于压缩感知算法重建二维时间序列图像，进一步包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于联合约束的压缩成像系统，其特征在于，其包括第一分光镜(1)、第一镜头(2)、透射式编码板(3)、宽狭缝条纹相机(4)、第二分光镜(5)、第二镜头(6)、窄狭缝条纹相机(7)、反射镜(8)、第三镜头(9)、icmos相机(10)、脉冲信号发生器(13)和光学暗箱(14)；
2.根据权利要求1所述的基于联合约束的压缩成像系统，其特征在于，第一分光镜和第二分光镜的反射光和透射光的比例可调，保证三个成像通道采集图像信噪比适中。
3.根据权利要求2所述的基于联合约束的压缩成像系统，其特征在于，第一分光镜(1)的反射光和透射光的比值为0.2:1，第二分光镜(5)的反射光和透射光的比值为9:1；透射式编码板(3)像素尺寸为100μm×100μm，透光像素的个数比例为30％；宽狭缝条纹相机狭缝宽度为15mm，全程扫描时间为102ns；窄狭缝条纹相机狭缝宽度为0.35mm，全程扫描时间为102ns；icmos相机(10)的像素阵列为1280×1024。
4.根据权利要求1至3中任一所述的基于联合约束的压缩成像系统，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：姚志明，盛亮，宋岩，周浩宇，彭博栋，郭泉，韩长材，刘振，李阳，段宝军，严维鹏，宋顾周，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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